Welche Arten von Schall unterscheidet man hinsichtlich Frequenzbereiche?
Erläutern Sie den Unterschied zwischen Longitudinal- und Transversalwelle
Welle: Ausbreitung von Schwingungen, wobei die einzelnen Materieteilchen elastisch gekoppelt sind. Schwingen die Teilchen in Ausbreitungsrichtung, so spricht man von einer Longitudinalwelle (treten in Flüssigkeiten, Gasen und Festkörpern auf), schwingen sie quer zur Ausbreitungsrichtung, so spricht man von einer Transversalwelle (nur in zäher bzw. fester Materie möglich).
Was ist der Unterschied zwischen Periodendauer und Wellenlänge?
Die Periodendauer ist die Zeit, die eine periodische Schwingung für einen vollständigen Zyklus braucht.
T = 1/f
Die Wellenlänge ist der räumliche Abstand, den eine Welle während einer Periodendauer zurücklegt – also der Abstand zwischen zwei gleichen Phasenpunkten (z. B. zwei Maxima).
lambda = v*T
Erläutern Sie die Begriffe Schallschnelle und Schallfluss inklusive Einheiten.
Die Schallschnelle beschreibt die momentane Geschwindigkeit, mit der die Mediumsteilchen (z. B. Luftmoleküle) durch die Schallwelle hin- und herbewegt werden.
Der Schallfluss (korrekter: Schallintensität) beschreibt die Schallleistung pro Fläche, also wie viel akustische Energie pro Zeit durch eine Fläche fließt.
Erläutern Sie den Begriff Schalldruckpegel inklusive Gleichung, Einheit und typische Wertebereiche
Skizzieren Sie den Aufbau eines elektrostatischen Membrane-Mikrophons.
Nennen Sie typische Werte für die Schallgeschwindigkeit in Luft und in Wasser
Was geschieht mit der Schallgeschwindigkeit in Luft wenn die Temperatur erhöht wird?
Mit steigender Temperatur nimmt die Schallgeschwindigkeit in Luft zu (ungefähr +0,6 m/s pro °C)
Erläutern Sie den Begriff der Schallfeldimpedanz und Schallkennimpedanz inkl. Gleichungen und Einheiten
Was versteht man unter einer ebenen Welle?
Eine ebene Welle ist ein ideales Wellenmodell, bei dem die Wellenfronten Ebenen sind und die Welle sich in eine feste Richtung ausbreitet.
Wellenfronten sind parallel zueinander und eben (keine Kugel- oder Zylinderflächen).
Alle Punkte einer Wellenfront haben die gleiche Phase (schwingen „gleichzeitig“).
Die Ausbreitungsrichtung ist überall gleich und senkrecht zu den Wellenfronten.
Amplitude und Phasenlage sind (idealisiert) über jede Wellenfront konstant.
Es gibt keine geometrische Abschwächung durch Ausbreitung (nur evtl. Dämpfung durch Verluste im Medium).
Wie errechnen Sie den akustischen Signalverlust am Grenzübergang zweier Materialien?
Wie errechnen Sie den akustischen Signalverlust der Reflektion am Grenzübergang zweier Materialien?
Skizzieren Sie den Aufbau eines Bolt-clamped Langevin Transducer und beschriften Sie alle Komponenten?
Wie bauen Sie aus einem Bolt-clamped Langevin Transducer ein sogenanntes Mason Horn?
Erläutern Sie die Funktion und den Aufbau eines Mason-Horn
Ein Mason-Horn ist ein mechanischer Amplitudentransformator, der an einen piezoelektrischen Ultraschallwandler (z. B. Bolt-clamped Langevin Transducer) angeschlossen wird
Ein Mason-Horn besteht typischerweise aus:
Piezoelektrischer Wandler (Langevin-Transducer)
PZT-Scheiben
Rückmasse
Frontmasse
zentrale Vorspannschraube → erzeugt axiale Längsschwingungen
Horn (mechanischer Transformator)
meist konisch, exponentiell oder stufenförmig
aus hochfestem Material (z. B. Titan, Aluminium, Stahl)
Länge typischerweise λ/2 (halbe Wellenlänge im Material)
Arbeitsende (Spitze)
kleiner Querschnitt
dort tritt die maximale Amplitude auf
Das Horn wirkt wie ein mechanischer Transformator:
Am dicken Ende: große Fläche → kleine Amplitude, große Kraft
Am dünnen Ende: kleine Fläche → große Amplitude, kleinere Kraft
Skizzieren Sie den Betrag des Schalldruckes vor einem Kolbenstrahler in einer schallharten Wand
Was versteht man unter Nah- und Fernfeld eines Kolbenstrahler in einer schallharten Wand?
Wie berechnen Sie die Nahfeldausdehnung N eines Kolbenstrahlers in einer schallharten Wand?
a = Radius des Strahlers, lambda = Wellenlänge
Was versteht man unter der Wellenzahl und wie ist diese definiert?
Die Wellenzahl beschreibt, wie stark sich die Phase einer Welle pro Längeneinheit ändert – also wie „eng“ die Welle im Raum schwingt.
Große Wellenzahl → kleine Wellenlänge → schnelle räumliche Phasenänderung
Kleine Wellenzahl → große Wellenlänge → langsame räumliche Phasenänderung
Welches Kriterium für einen Kolbenstrahler in einer schallharten Wand wenden Sie an um zu testen ob eine gute Richtwirkung vorhanden ist?
Gute Richtwirkung erhält man, wenn der Strahlerdurchmesser groß gegenüber der Wellenlänge ist: D >> lambda
Skizzieren Sie die Richtcharakteristik eines Kolbenstrahler in einer schallharten Wand mit guter Richtcharakteristik.
Skizzieren Sie die Richtcharakteristik eines Kolbenstrahler in einer schallharten Wand mit schlechter Richtcharakteristik.
Gute Richtwirkung
Schlechte Richtwirkung
( ka >> 1 )
( ka << 1 )
schmale Hauptkeule
breite Hauptkeule
Nebenkeulen vorhanden
keine Nebenkeulen
starke Bündelung
fast kugelförmig
Da der Strahler in einer schallharten Wand sitzt, erfolgt die Abstrahlung nur in den vorderen Halbraum (180°).
Wie groß ist die Phasenverschiebung zweier benachbarter Nebenkeulen eines Kolbenstrahler in einer schallharten Wand?
Bei einem Kolbenstrahler in einer schallharten Wand (Kreisöffnung im unendlichen Baffle) wechseln die Nebenkeulen im Fernfeld abwechselnd das Vorzeichen (weil die Richtfunktion zwischen zwei Nulldurchgängen der Besselfunktion J1 jeweils das Vorzeichen wechselt).
Daher sind zwei benachbarte Nebenkeulen um
phasenverschoben (eine Nebenkeule ist gegenüber der nächsten „gegenphasig“).
Welche Effekte reduzieren den Signal-Rausch-Abstand einer akustischen Übertragungsstrecke?
Warum werden bei Ultraschallwandlern Anpassungsschichten benötigt und wie dick sind diese und warum?
Um die starke Impedanzdifferenz zwischen Piezo und Medium zu überbrücken und Reflexionen zu minimieren.
Dicke: d = lambda/4
Wegen der 180°-Phasenverschiebung, die die Reflexion reduziert und die Transmission maximiert.
Wie errechnen Sie die optimale Schallfeldimpedanz einer Anpassungsschicht?
Die optimale akustische Impedanz (Schallfeldimpedanz) einer einfachen λ/4-Anpassungsschicht zwischen Wandler und Medium erhältst du als geometrisches Mittel der Impedanzen beider Seiten:
Z=ρc
(ρ Dichte, c Schallgeschwindigkeit; Einheit: Rayl bzw. meist MRayl).
Skizzieren Sie den Aufbau eines piezoelektrischen Ultraschallwandlers (bulk mode) mit geschlossenen Gehäuse
Skizzieren Sie den Aufbau eines piezoelektrischen Ultraschallwandlers (flextensional mode) mit offenen Gehäuse
Welche zwei Funktionen erfüllt ein Aluminium Horn auf einem Ultraschall-Biegewandler?
Das Horn wirkt als mechanischer Transformator:
Es passt die mechanische Impedanz an.
Es kann die Schwingungsamplitude erhöhen oder formen.
Es sorgt für eine effizientere Übertragung der Schwingung vom piezoelektrischen Biegewandler ins Medium (z. B. Luft).
👉 Ergebnis: Höherer Schalldruckpegel bzw. bessere Sendeleistung
Das Aluminium-Horn wirkt gleichzeitig als:
akustische Apertur
oder Wellenleiter
Dadurch wird:
die Schallabstrahlung gebündelt,
der Öffnungswinkel verkleinert,
die Reichweite verbessert,
Störungen durch seitliche Abstrahlung reduziert.
👉 Ergebnis: Bessere Richtcharakteristik und größerer Signal-Rausch-Abstand.
Was versteht man unter Modekonvertierung im Zusammenhang mit Ultraschallwandler zur Einkopplung in Festkörper?
Modekonvertierung (Modenumwandlung) bezeichnet bei der Einkopplung von Ultraschall in Festkörper die Umwandlung einer Wellenart in eine andere an einer Grenzfläche.
Modekonvertierung ist die Umwandlung einer Ultraschall-Wellenart (z. B. Longitudinalwelle) in eine andere (z. B. Scherwelle), wenn die Welle unter schrägem Einfall in einen Festkörper eintritt.
Erklären Sie den Aufbau und die Grundidee eines 1–3 Piezo Composite Wandlers.
Grundidee
Ein 1–3-Piezo-Composite kombiniert:
piezoelektrisches Keramikmaterial (z. B. PZT)
mit einem passiven Polymer (z. B. Epoxidharz)
Ziel ist es, die Vorteile von Keramik (hohe Kopplung, hohe Energieumsetzung) mit den Vorteilen von Polymer (niedrige akustische Impedanz, Dämpfung, Flexibilität) zu kombinieren.
Bedeutung 1-3
Die Zahlen beschreiben die räumliche Vernetzung (Konnektivität) der beiden Phasen:
1-dimensional vernetzte Piezophase → einzelne Stäbe (Säulen) aus PZT → schwingen nur in Längsrichtung
3-dimensional vernetzte Polymerphase → umgibt die Piezosäulen vollständig → bildet eine durchgehende Matrix
Aufbau:
ypischer Aufbau:
PZT-Keramikblock wird in viele parallele, dünne Stäbe geschnitten.
Die Zwischenräume werden mit Epoxidharz gefüllt.
Oberfläche wird plan geschliffen.
Elektroden werden auf Ober- und Unterseite aufgebracht.
Zeichnen Sie die beiden Betragskurven für die elektrische Impedanz von US-Sender und US-Empfänger in einem Diagramm für optimale SNR
Nenne Sie die beiden Gründe, warum man bei elektrostatischen Ultraschallwandler immer auch eine DC Spannung braucht
Skizzieren Sie den Aufbau eines sogenannte CUTs (Capacitive Ultrasonic Transducer). Beschriften Sie alles
Welche Vor- und Nachteile haben CUTs (Capacitive Ultrasonic Transducer)?
Vorteil:
große Bandbreit
gut integrierbar (MEMS)
gute Anpassung an Luft
Arrays einfach realisierbar
Nachteil:
hohe Bias-Spannung nötig
geringere Ausgangsleistung
Nichtlinearität/ Pull-in-Gefahr
empfindliche ggü Toleranzen
Wofür steht die Abkürzung CMUT?
Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer
Skizzieren Sie den Aufbau eines sogenannte CMUTs. Beschriften Sie alles
Was sind die beiden wesentlichen Unterschiede zwischen CUTs und CMUTs?
Die zwei wesentlichen Unterschiede sind:
Herstellungstechnologie
CMUT → MEMS / mikromechanisch
CUT → konventionell mechanisch
Integrationsgrad / Miniaturisierung
CMUT → hoch integriert, arrayfähig
CUT → diskret, größer
Skizzieren Sie einen einfachen Fabrikationsprozess zur Herstellung eines CUTs?
Skizzieren Sie einen einfachen Fabrikationsprozess zur Herstellung eines CMUTs?
Wie verändert sich der Betrag der elektrischen Impedanz eines CMUTs wenn Sie die DC Spannung erhöhen?
Mit steigender DC Spannung sinkt der Betrag der elektrischen Impedanz.
Welche Nachteile bringen sogenannte Spark-Transducers mit sich?
starke EM-Störungen
schlechte Reproduzierbarkeit
Elektrodenverschleiß
hohe Spannungen nötig
breites, wenig kontrolliertes Spektrum
lauter Impuls
Was versteht man unter dem Begriff Mass-loading im Zusammenhang mit schwingenden Strukturen?
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